Mutfak Tipi Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sisteminin Tasarimi

ALTERNATİF SOĞUTUCU AKIŞKAN KULLANILARAK MUTFAK
TİPİ BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA SİSTEMİNİN TASARIMI

1 Soğutucunun özellikleri
2 Soğutma yükünün hesaplanması
3 Soğutucu akışkanın seçimi
4 Kompresör seçimi
5 Kılcal boru boyunun hesaplanması
6 Soğutucunun gürültü düzeyi
7 Soğutucunun defrost sistemi
8 Soğutucunun yalıtımı
9 Evaporatör boyutlarının belirlenmesi
10Condenser boyutlarının belirlenmesi

1 Soğutucunun özellikleri
Bu çalışmada, mutfaklarda kullanılacak ozon tabakasını etkilemeyecek alternatif soğutucu akışkan ile çalışan 400 litre hacminde bir buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin tasarımı gerçekleştirilecektir Soğutma gücü düşük, genleşme valfi yerine kılcal boru kullanılan bir buharlaştırıcı sıcaklıkları uygulamaya göre değişen, gıda depolamada kullanılan bir soğutma sisteminin tasarımı olacaktır

Tablo 1 Mutfak tipi soğutucunun tasarım parametreleri

Parametre
Ortam sıcaklığı (mutfak sıcaklığı) 25 oC

Bu buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin tasarımında şu verilere ihtiyaç vardır: a) Soğutucunun kullanılacağı ortam, soğutucunun kullanılma amacı ve soğutucunun soğutma kapasitesi

Soğutucunun kullanılacağı ortama göre çevre sıcaklığı, soğutucunun kullanım amacına göre soğutucu iç ortam sıcaklığı belirlenir Bunlara ilave olarak soğutucunun büyüklüğü de bilinirse, bir soğutma sisteminin tasarımında ilk aşama olan soğutma yükü hesaplanabilir Daha sonra, bu soğutma yükünü sağlayacak sistemin tasarımı yapılabilir Belirlenen soğutma yükünü sağlayacak buharlaştırıcının, kompresörün, yoğuşturucunun kapasitelerinin ve kılcal boru uzunluğunun hesaplanması gerekir

Şekil 21 Soğutma sisteminin şematik görünümü

Bir buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminde, düşük sıcaklıktaki bir ortamdan çekilen ısı, daha yüksek sıcaklıktaki bir ortama atılır Bunun için, bir soğutucu akışkan soğutma sisteminde dolaşır Bu sırada, soğutucu akışkan bir seri işleme tabi tutulur Bu işlemler serisi, çevrim olarak bilinir Çevrim esnasında soğutucu akışkan faz değiştirir ve soğutucu akışkanın sistem içerisinde dolaşımı kompresör ile sağlanır Bu soğutma çevrimi buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi olarak bilinir ve yaygın olarak kullanılır Bir ideal buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin şematik görünümü Şekil 21’de verilmiştir Çevrim dört temel işlemden oluşur:

a) Kompresörde izentropik sıkıştırma süreci (1-2)
b) Yoğuşturucudan çevreye ısı aktarımı süreci (2-3)
c) Kılcal boruda veya genleşme vanasında kısılma süreci (3-4)
d) Buharlaştırıcıdan akışkana ısı aktarımı süreci (4-1)

İdeal Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminde, soğutucu akışkan kompresöre 1 noktasında doymuş buhar olarak girer ve izentropik olarak yoğuşturucu basıncına kadar sıkıştırılır Sıkıştırma sürecinde soğutucu akışkanın sıcaklığı ve basıncı çevre sıcaklığının ve basıncının üzerine çıkar ve soğutucu akışkan 2 noktasında kızgın buhar durumunda yoğuşturucuya girer, 3 noktasında doymuş sıvı durumunda yoğuşturucudan çıkar Yoğuşma sırasında akışkandan çevreye ısı geçişi olur Doymuş sıvı durumundaki soğutucu akışkan genleşme vanası veya kılcal borulardan geçirilerek buharlaştırıcı basıncına düşürülür Bu esnada soğutucu akışkanın sıcaklığı soğutulan ortamın sıcaklığının altına düşer Soğutucu akışkan buharlaştırıcıya 4 noktasında sıvı-buhar karışımı olarak girer ve buharlaştırıcıdan doymuş buhar durumunda çıkar ve kompresöre girerek çevrim tamamlanır

Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, basıncın düşmesine sebep olan akış sürtünmesi ve çevre ile olan ısı alışverişi nedeni ile ideal çevrimden farklıdır Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin T-s diyagramı Şekil 22’de verilmiştir

Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin hal değişimleri aşağıdaki şekilde gerçekleşir

a) Kompresörde sıkıştırma süreci (1-2)
b) Kompresörün basma hattındaki basınç kaybı (2-3)
c) Yoğuşturucudan çevreye sabit basınçta ısı geçişi (3-4)
d) Alt soğutma (4-5)
e) Kısılma vanasında basıncın düşmesi (5-6)
f) Buharlaştırıcıdan akışkana sabit basınçta ısı geçişi (6-7)
g) Kompresörün emme hattındaki basınç kaybı (7-1)

İdeal çevrimde, soğutucu akışkan kompresöre doymuş buhar halinde girer Uygulamada ise soğutucu akışkanın hal değişimi hassas bir şekilde kontrol edilemediğinden, soğutucu akışkanın kompresöre kızgın buhar halinde girmesi sağlanacak şekilde sistem tasarlanır Kompresör ile buharlaştırıcı arasındaki bağlantının genellikle uzun olması, akış sürtünmesi nedeni ile basınç düşmesine yol açar Ayrıca çevreden soğutucu akışkana ısı geçişi olur Tüm bu etkiler soğutucu akışkanın özgül hacminin artmasına neden olur Sürekli akış işi, özgül hacimle doğru orantılı olduğundan kompresör işi’de buna bağlı olarak da artar

İdeal çevrimde, sıkıştırma işlemi izentropiktir Gerçek çevrimde ise akış sürtünmesi ve ısı geçişi entropiyi etkiler Akış sürtünmesi entropiyi artırırken, ısı geçişi hangi yönde olduğuna bağlı olarak entropiyi artırır veya azaltır

İdeal çevrimde, soğutucu akışkan yoğuşturucudan, kompresör çıkış basıncında ve doymuş sıvı olarak çıkar Gerçek çevrimde ise kompresör çıkışı ile kısılma vanası girişi arasında bir basınç düşmesi vardır Akışkanın kısılma vanasına girmeden önce tümüyle sıvı halde olması için soğutucu akışkan aşırı soğutulur

Bu durumda soğutucu akışkan buharlaştırıcıya daha düşük bir entalpide girer ve buna bağlı olarak ortamdan daha çok ısı çekilebilir Kısılma vanası ile buharlaştırıcı birbirine çok yakın olduğundan aradaki basınç kaybı küçüktür

2 Soğutma yükünün belirlenmesi
Bir soğutma sisteminin tasarımında ilk aşamada soğutma yükünün ve sistemin birim zamanda ne kadar ısıyı soğutulan ortamdan dış ortama atması gerektiğinin hesaplanması gerekir

Soğutma yükü, değişik yollardan soğutulan ortama aktarılan ısı ile sistem içinde üretilen ısıların toplamına eşittir Bu toplam ısı sistemin ısı kazancı olarak bilinir Tasarımı yapılan derin dondurucunun soğutma yükü, FORTRAN dilinde geliştirilen bir program kullanılarak aşağıdaki şekilde hesaplanmıştır:

a Soğutulan ortamı çevreleyen yüzeylerden soğutucuya olan ısı aktarımı:

Q = AUDT (1)

bağıntısı kullanılarak hesaplanmıştır Bu bağıntıdaki U toplam ısı aktarım katsayısı, A ısı aktarım yüzey alanıdır ve soğutucunun fiziksel boyutlarına bağlıdır Sıcaklık farkı; DT, soğutucunun kullanılacağı ortamın sıcaklığı ile soğutucunun kullanım amacına göre soğutucu iç ortam sıcaklığı arasındaki fark şeklinde tanımlanmıştır

Toplam ısı aktarım katsayısı: U çeper ve yalıtım malzemesinin kalınlığına ve çeperde kullanılan malzemelerin cinsine bağlıdır Çeper malzemelerinin ısı iletim katsayıları ile dış ve iç yüzeylerdeki taşınım aktarım katsayıları U’nun hesaplanmasında kullanılır Tasarlanan buhar sıkıştırmalı soğutucunun şematik görünümü Şekil 1’de verilmiştir

Soğutulan ortamda olan maddelerin ortam sıcaklığına gelinceye kadar yaydıkları ısıdır Sıcaklığı dolap iç sıcaklığından daha yüksek bir ürün, dolap içine konulduğunda, bu ürün dolap içi sıcaklığına gelinceye kadar, dolap içinde ısı yayar Diğer taraftan dolaba konulan ürün bir başka soğutucudan alınarak dolaba konulursa, ters yönde bir ısı geçişi olur

Dondurulmuş ürün, dolap sıcaklığına ulaşıncaya kadar soğutulan ortamdan ısı çeker Dolap iç sıcaklığı ürünün donma sıcaklığının üstünde bir sıcaklıkta ise, ürün dolaba konulduğunda yaydığı ısı, soğuk ortamın sıcaklığına, giriş sıcaklığına, ürünün kütlesine ve özgül ısısına bağlıdır ve aşağıdaki bağıntıdan hesaplanabilir

Q = mCDT (2)

Bu bağıntıda Q ürün ısısı, m ürünün kütlesi, C ürünün özgül ısısı ve DT: ürün ile soğutucu iç sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkıdır Eğer soğutucu iç ortam sıcaklığı ürünün donma sıcaklığının altında ise, ürün ısısı hesaplanırken donma ısısının da göz önüne alınması gerekir Donma ısısı

Q = mC(Tg – Tdon) + mhif + mC (TdonTbağ) (3)

bağıntısı kullanılarak hesaplanır

Ürün ısısı hesaplanırken, FORTRAN dilinde yazılmış olan bilgisayar programıyla hesaplama yapılmıştır Derin dondurucunun tasarımında, soğutma yükü hesaplanırken, vişne, çilek, et, kiraz, bezelye derin dondurucuda ürün olarak düşünülmüştür Bu bilgisayar programı

İnfiltrasyon ısı kazancı, soğutulan ortamın kapılarının açılıp kapanması sırasında dışarıdan soğutucuya giren havanın taşıdığı ısı enerjisidir Birçok uygulamada bunu hassas olarak hesaplamak oldukça zordur Bu yolla soğutulan ortama giren enerji soğutma yükünün önemli bir kısmını oluşturur Tasarımını yaptığımız derin dondurucunun bir günde en fazla 50 defa açılıp kapanacağı varsayılarak ısı kazancı hesaplanmıştır İnfiltrasyon ısı kazancının hesaplanması aşağıdaki bağıntıdan hesaplanabilir

İnfiltrasyon ısı kazancı = nU (ρdhd- ρi hi) (9)

Bu bağıntıda ki n hava değişim sayısı, U soğutucu hacmi, ρ d dış ortam havasının yoğunluğu, hd dış ortam havasının entalpisi, ρi iç ortam havasının yoğunluğu, hi iç ortam havasının entalpisidir Hava değişimi, soğutucunun içindeki havanın günde kaç defa dış ortam havasıyla değiştiğini gösterir Bu sayı, önemli ölçüde, kullanıcının tutumu ve uygulamaya bağlıdır Tasarımda bu sayı maksimum değer alınarak hesaplama yapılmalıdır

3 Soğutucu akışkanın seçimi
Türkiye’de imal edilen donmuş gıda depolama dolapları ve gıda dondurucularında çalışma akışkanı olarak ozon tabakasına zarar veren R12 ve R22 soğutucu akışkanlar kullanılmaktadır R12 ve R22’den alternatif soğutucu akışkanlar kullanılarak derin dondurucu için dönüşüm (retrofit) yapılırken R134a ve R407C soğutucu akışkanların en uygun alternatif soğutucu akışkanlar olduğu belirlenmiştir Dönüşümü yapılacak olan derin dondurucuda R134a alternatif akışkanı kullanılacaktır
Çizelge 51 Tasarımı yapılacak 400 Litre hacmindeki mutfak tipi
soğutucunun özellikleri

Brüt hacim (lt) 400
Net hacim (lt) 104
İç ölçüler (mm) 445x445x520
Dış ölçüler (mm) 570x610x360
Emme borusu dış çapı (mm) 6,35
Emme borusu iç çapı (mm) 4,93
Basma borusu dış çapı (mm) 6,35
Basma borusu iç çapı (mm) 4,93
Kılcal boru dış çapı (mm) 2
Kılcal boru iç çapı (mm) 0,8
Soğutucu akışkan R 134a
Akışkan miktarı 0,110 kg
Enerji sarfiyatı 1,1 Kwh/24h
Donma kapasitesi 6 kg/24h
Kompresör gücü 1/8 Hp
Kompresör Tipi AZ78A LRA: 72
Elektrik Özellikler 220 volt 50 Hz-130 W 0,35A

Çizelge 51’de özellikleri verilen derin dondurucuda, R134a’ya dönüşüm yapılırken soğutma sisteminin bazı çalışma parametreleri üretici firmadan temin edilememiş ve bunlar için kabuller yapılmak zorunda kalınmıştır REFUTIL bilgisayar programı kullanılarak hesaplanan 250 W soğutma yükü için seçilen derin dondurucunun çalışma parametreleri Çizelge 52’de verilmiştir

Çizelge 2 Soğutucunun çalışma parametreleri

Buharlaştırıcı sıcaklığı, Te (°C) -20
Yoğuşturucu sıcaklığı, Ty (°C) 40
Aşırı soğutma sıcaklık farkı,DTalt (°C) 30,5
Yoğuşturucu basıncı, Py (bar) 10,2
Buharlaştırıcı basıncı, Pe (bar) 0,5
Emme hattı basınç kaybı (kpa 0,02
Basma hattı basınç kaybı (kpa) 0,01
İzentropik kompresör verimi - 0,7

4 Kompresör seçimi
REFUTIL Bilgisayar programı kullanılarak 250 W soğutma yükü için yapılan termodinamik analiz sonucunda kompresör gücü 0150 HP olarak hesaplanmıştır COPELAND kompresör üreticisinin hazırlamış olduğu, kompresör (ekovat) bilgisayar programı tasarımda kompresör seçiminde kullanılmıştırTermodinamik analiz sonucu elde edilen 0,150 HP güce en yakın kompresör gücü 0,353 HP’lik CX11K1-TFD modeli seçilmiştir R134a alternatif soğutucu akışkanı ile çalışan kompresörler COPELAND tarafından Y indisi kullanılarak üretilmekte ve satılmaktadır Bu kompresörler, kendi sınıflarının eşdeğeri olan R12 kompresörlerine en yakın şekilde adı geçen firma tarafından imal edilmiştir

5 Kılcal boru uzunluğunun belirlenmesi
Kılcal boru boyunun hesaplanmasında, literatürde verilen ampirik bağıntılar kullanılmıştır Literatürde verilen bağıntılardan adyabatik kılcal boru veya adyabatik olmayan kılcal boru şartlarında hesaplamalar yapılabilir Bu çalışmada kullanılan mutfak tipi kılcal borunun soğutucunun dışında ve mutfak şartlarında olması dikkate alınarak, adyabatik model kullanılarak kılcal boru uzunluğu hesaplanmıştır Fakat kompresör sıcaklığı azda olsa, derin dondurucunun çalışması sırasında çevre sıcaklığını değiştirebilir Fakat bu durumun oluşturacağı hata ihmal edilebilecek kadar az olacaktır

Bansal ve Rupasinghe [15] basit ampirik bir korelasyon geliştirmişlerdir Kılcal boru, yoğuşturucu ve buharlaştırıcıyı birbirine bağlar Kılcal boru girişinde soğutucu akışkan alt soğutulmuş sıvı (sıkıştırılmış sıvı) veya iki fazlı akış şartlarında olabilir Kılcal boru içerisinde akış, genellikle iki kısımda incelenebilir: Sıvı fazdaki bölge ve bu bölgede basınç flaş noktasına kadar doğrusal olarak azalır Diğeri iki fazlı bölgedir ve bu bölgede soğutucu hızı ve basınç kaybı kılcal borunun girişinden itibaren artar ve mesafe ile değişir Bansal ve Rupasinghe çalışmalarında çalışmalarında, kılcal boru uzunluğunun 5 temel değişkene bağlı olduğu belirlenmiştir: Kılcal boru iç çapı (d), kılcal boru içerisindeki soğutucu akışkanın kütle debisi (m) veya kütle akısı (G), soğutucunun yüksek kısmı ile düşük kısmı arasındaki basınç farkı (DP), kılcal borunun girişinde soğutucunun alt soğutması (DTsub) ve kılcal boru malzemesinin göreli pürüzlülüğü (ε) Bu beş değişkene ek olarak soğutucunun ısıl ve taşınım özellikleri de, kılcal borunun boyutlarının belirlenmesinde önemlidir Bu özellikler, diğer değişkenlerin etkileri incelenirken dikkate alınır Korelasyonu basit tutmak için ve tasarımcı için bilinen parametreleri dikkate alınarak yalnız yukarıdaki beş değişken bu yaklaşımda dikkate alınmıştır

Diğer taraftan soğutucunun kılcal boru içerisindeki durumunun, doymuş veya alt soğutulmuş sıvı fazında olduğu kabul edilmiştir Toplam kılcal boru uzunluğu, L için bağıntı,

L = k1 D d (DTsub+k2) ( k3-ε/G2 ) (10)

şeklinde verilmiştir Bu ifadedeki, k3 ve k2 eğrilerin kesim noktasıdırL ve DTsub ile L ve ε eğrilerinin, k1, k2 ve k3 sabitlerinin değerleri Curve fitting yöntemiyle elde edilen deneysel data R134a için değerler Tablo 1’ de verilmiştir

Bu datanın kullanım aralığı DTsub = 3-10 K , ε = 610-4 - 9 10-4 , DP = 900-1300 kPa, d = 0,6 –0,8 aralığında ve m = 3-7 kg/h Bu aralıklar dışında ampirik denklemin hassasiyeti bilinmemekte ve eğri çakıştırmanın kalitesi ± %5 farklılık göstermektedir

Tablo 1 R134a soğutucu akışkanı için korelasyon katsayıları

Soğutucu k1 k2 k3 k4
R134a 16,3*108 10,25 1,662*10-03 305,05*10-04

Denklem (10) ve Tablo 1 kullanılarak kılcal boru uzunluğu aşağıdaki şekilde hesaplanabilir Kılcal borunun dış çapı 2 mm ve kılcal boru iç çapı 0,8 mm dir Soğutucu tasarımında DP = 972 kPa, ε = 7 10-4 , m = 6,1164 kg/h ve DTsub = 10K alınmıştır

L = (16,3108) (972) (0,8) 10-3 (10+10,25) [ (1,62-0,7)/3381,762] 10-3

G =ρV m = ρV A m = GA
G = m /A
G = 0,001699 4 /0,82 3,14 10-6
G =1699 4/0,64 3,14
G = 3381,76 kg/m2s
L = (16,3108) (972) (0,8) 10-3 (20,25) [0,92/11436351,5] 10-3
L = 16,3 102 (972) (0,8) (20,25) 8,04410-8
L = 2,064 m

Yukarıda özellikleri verilen soğutucu 400lt kapasiteli soğutucudur Mutfak tipi soğutucu, Çizelge 5’ de verilen dönüşüm parametreleri sonucu, R134a alternatif soğutucu akışkanı ile çalışacak şekilde yeniden tasarlanmıştır Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı boru uzunlukları, Kılcal boruuzunluğu, nem alıcı ve kompresör bu soğutucu için değiştirilerek sisteme 130 gr R134a soğutucu akışkanı şarj edilmiştir Bu soğutucu Şekil 5’de verilmiştir

8 Soğutucunun gürültü düzeyi
Yurdışında üretilen soğutucularda küçük güce sahip sistemlerde 5000 W soğutma kapasitesinin altında pistonlu hermetik kompresör kullanılmakta ve kompresör bölmesi yalıtılmaktadır Büyük güce sahip sistemlerde ise pistonlu kompresör yerine daha düşük gürültü seviyesine sahip olduğu bilinen scroll, tipi hermetik kompresörler kullanılmakta ve yine kompresör bölümü yalıtılmaktadır Scroll tipi kompresörlerin sessiz olmalarına karşın maliyetleri yüksektir Bu projede geliştirilecek buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin kapasitesi 5000 W’ın altındadır ve hermetik kompresör kullanılacaktır Bu kompresörlerin düşük gürültü seviyesine sahip olması sağlanacaktır

Bu gelişmeler, üretici firmalar için ozonu tahrip etme potansiyeline sahip CFC ve HCFC’li soğutucu akışkanların yerini alacak, ozon tabakasını etkilemeyen HFC’li soğutucu akışkanlar konusunda araştırmalar yapılması gereğini doğurmuştur CFC’li bir soğutucu akışkanın yerini alabilecek, farklı özelliklere sahip birden fazla akışkanın geliştirilmiş olması; çevresel etkiler, enerji verimliliği, maliyet, servis hizmetleri ve standart ekipmanlar açısından ele alındığında, soğutucu akışkan seçimini güçleştirmektedir

Ozonu tahrip etme potansiyeli (ODP) sıfır olan HFC’li soğutucu akışkanlar küresel ısınma açısından incelendiğinde; küresel ısıtma potansiyeli (GWP) olarak adlandırılan ve atmosfere bırakılan soğutucu akışkan miktarına bağlı olan etkilerinin bulunduğu belirlenmiştir

Bu çalışmanın amacı, derin dondurucularda ozon tabakasını olumsuz olarak etkilemeyen alternatif soğutucu akışkanı seçmek Çalışmada alternatif soğutucu akışkanlar olarak R134a, R290, R404A, R407A, R407C, R410A, R507, soğutucu akışkanları seçilmiştir R12, R22, R134a, R290, R404A, R407A, R407C, R507, R410A ve R502 soğutucu akışkanlar ile çalışan buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimlerinin termodinamik analizi yapılmış, analizden R12’ye alternatif olarak R134a soğutucu akışkan olarak seçilmiştir Daha sonra, derin dondurucunun R12’den R134a’ya dönüşüm parametreleri belirlenerek, derin dondurucunun dönüşümü yapılmıştır Soğutucu akışkanların termodinamik özellikleri Dünya Bankası tarafından hazırlatılan Refrigeration Utilities (REFUTIL) yazılımının 121 versiyonundan alınmıştır REFUTIL, çok sayıda soğutucu akışkanın termodinamik özelliklerini ve diyagramlarını vermektedir REFUTIL bilgisayar programı kullanılarak Ty = 40°C yoğuşturucu sıcaklığı ve - 40 £ Tb £ 0 °C buharlaştırıcı sıcaklıklarındaki ; basınç, sıcaklık, entalpi, entropi, yoğunluk vb özellikler kullanılarak soğutucu kütlesel debisi, kompresör gücü, basınç oranı (pr =pe/py) yoğuşturucu ve buharlaştırıcı kapasiteleri ile soğutma etkinliği (COP) hesaplanmış, elde edilen veriler grafikler halinde verilmiştir Ayrıca alternatif soğutucu akışkanların etkinlik katsayılarının R12 ve R22 kullanan buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin etkinlik katsayısına oranının buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi grafikler halinde elde edilmiş ve karşılaştırılmıştır

Bu çalışmada – 40 £ Tb £ 0oC buharlaştırıcı çalışma aralığında derin dondurucular için alternatif soğutucu akışkanların buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminde termodinamik analizi yapılarak, derin dondurucular için alternatif soğutucu akışkan seçimi yapılmıştır Daha sonra, dönüşümü yapılacak olan derin dondurucuda R12’den R134a’ya dönüşüm parametreleri kullanılarak bir dönüşüm yapılmış ve soğutucu, ilgili standartlara uygun olarak test edilmiştir

Bir soğutma çevriminde “Yüksek basınç” ve “Alçak basınç “kavramlarından söz edilir Aşağıda bu kavramların açıklaması verilmiştir [4]

i) Yüksek Basınç Tarafı:
Bir soğutma çevriminde kompresörün çıkışından, basma hattı borusu, yoğuşturucu, sıvı borusu ve kısılma vanasına kadar olan kısmına “Yüksek basınç tarafı” olarak adlandırılır

Soğutma çevriminde yoğuşturucudaki kızgın buhar, doymuş buhar, ıslak buhar ve sıvı durumundaki soğutucu akışkan sıcaklığındaki basınca yoğuşma basıncı denir Yoğuşma basıncı aynı zamanda soğutma çevriminin yüksek basıncıdır Soğutma sisteminde kompresörün çalışmadığı durumlarda bir süre sonra yüksek basınç tarafındaki soğutucu akışkan sıcaklığı bu kısmı çevreleyen hava sıcaklığına eşit olur Bu durumda soğutma çevriminin yüksek basıncı çevre havasının sıcaklığına uygun bir basınç olarak belirlenir

Kompresör çalışmaya başladığı anda sıkıştırdığı soğutucu akışkanın buhar sıcaklığı ile yoğuşturma ortamının sıcaklığı arasında herhangi bir sıcaklık farkı olmayacağından yoğuşma olmaz Ancak çok kısa bir zaman içerisinde kompresör tarafından pompalanan soğutucu akışkan buharının sıcaklığı çevre sıcaklığının üstüne çıkar ve soğutucu akışkan buharının sıcaklığı ile çevre havasının sıcaklığı arasında belirli bir fark meydana gelir Bu fark yeterli bir değere ulaşınca yoğuşturucuda çevreye olan ısı geçişi yeterli duruma gelir ve yoğuşma işlemi başlar

ii) Alçak Basınç Tarafı:
Bir soğutma çevriminin kısılma vanasından itibaren buharlaştırıcı, emme hattı borusu ve kompresörün emişine kadar olan kısmına “alçak basınç tarafı” denir

Buharlaştırıcıda bularlaşan soğutucu akışkanın basıncı, “buharlaştırıcı basıncı” olarak anılır Buharlaşma basıncı, buharlaştırıcı ısı geçiş yüzeyi ile soğutulan hacmin havasının sıcaklığına göre değişir Buharlaştırıcı ısı transfer yüzeyinin belirli bir değeri için, soğutulan hacmin sıcaklığının daha düşük değerler olması halinde buharlaşma basıncı düşer Soğutulan hacmin sıcaklığının daha büyük değerler olması halinde ise buharlaşma basıncı artar

9 Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevriminin Termodinamik Analizi
Bu bölümde buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin termodinamik analizi yapılmış –40 £ Tb £ 0 °C çalışma aralığında, Ty =40°C yoğuşturucu sıcaklığında, buharlaştırıcı ve yoğuşturucu kapasiteleri, kompresör gücü, soğutucu akışkanın kütle debisi, basınç oranı ve sistemin COP’si ile COP/COP12 ‘ye oranları belirlenmiştir Soğutma sisteminin analizi yapılırken; sistemde kullanılan soğutucu akışkan, soğutucunun soğutma yükü, yoğuşturucu ve buharlaştırıcıdaki akışkan sıcaklıkları bilinmelidir

Bu çalışmada, R12, R22, R134a, R290, R404A, R407A, R410A, R407C, R507 ve R502 soğutucu akışkanları analiz yapmak üzere seçilmiş, soğutucunun soğutma yükü 500 W ve kompresör verimi 0,7 olarak alınmıştır Analiz, 40°C yoğuşturucudaki akışkan sıcaklığı ile –40°C ve 0°C arasında buharlaştırıcıdaki akışkan sıcaklığında yapılmıştır Kompresörün emme ve basma hattındaki basınç kayıpları sırası ile 2 kPa ile 1 kPa olduğu varsayılmıştır Ayrıca, yoğuşturucu çıkışında soğutucu akışkana farklı sıcaklıklarda aşırı ısıtma ve sıkıştırma uygulanmış ve sonuçlar grafikler halinde verilmiştir

Sistemin termodinamik analizine, belirlenen yoğuşturucu, buharlaştırıcı, alt soğutma ve aşırı ısıtma sıcaklıkları, sistemin emme ve basma hattındaki basınç kayıpları ile kompresör verimine göre yoğuşturucu ve buharlaştırıcı basınçlarının hesaplanması ile başlanılmıştır Bu basınç değerleri yoğuşturucu çıkışında sıkıştırılmış sıvı bölgesindeki basınç ile buharlaştırıcı çıkışında kızgın buhar bölgesindeki basınç değerlerine eşittir Daha sonra, çevrim analizine, yoğuşturucu çıkışındaki termodinamik parametrelerin değerlerinin belirlenmesi ile devam edilmiştir Yoğuşturucu çıkışındaki entalpi, sıkıştırılmış sıvı bölgesindeki akışkanın entalpisine eşittir

Yoğuşturucudan çıkan soğutucu akışkanın kılcal boruda kısılması esnasında entalpisi sabit kalır Kısılma sürecinde sistem basıncı yoğuşturucu basıncından (yüksek basınç), buharlaştırıcı basıncına (alçak basınç) düşer Böylece soğutucu akışkanın buharlaştırıcıya giriş şartları belirlenmiş olur Kısılma vanasındaki (kılcal boru) kısılma sürecinde entalpi sabit olduğundan h5 = h6 olur ve 1 noktası kızgın buhar fazındadır Kompresör girişindeki 1 noktasının sıcaklığı sistem tasarımında belirlenen DTP aşırı ısıtma değerinden, basıncı ise buharlaştırıcı çıkış basıncına, buharlaştırıcı ve kompresör arasında emme hattı borusundaki belirlenen basınç kaybının eklenmesi ile bulunmuştur Böylece 1 noktasında sıcaklık ve basınç belirlendiğinden gerekli olan diğer termodinamik parametreler (entalpi, entropi, özgül hacim vb) bulunabilir

Kompresör verimi
1 noktasından 2 noktasına geçişte; daha önce izentropik süreç sonunda ulaşılan 2 noktasındaki özellikler belirlenmiştir Gerçek çevrimin kompresör çıkışındaki 2 noktasının özellikleri seçilen kompresör verimi kullanılarak hesaplanmıştır

(21)
Bağıntı (21) kullanılarak 2 noktasındaki entalpi değeri hesaplanmıştır Bu değer bulunduktan sonra 2 noktasının bilinen basınç değeride kullanılarak gerekli diğer özellikler hesaplanmıştır

Termodinamik analiz sonunda çevrimin belli noktalarında, termodinamik özelliklerin değerleri belirlendiğinden, soğutma sisteminin, buharlaştırıcı ve yoğuşturucu kapasiteleri, kompresör gücü ve sistemin alçak basınç ile yüksek basınç oranları hesaplanmıştır

Soğutucu akışkanın kütle debisi
Soğutulan ortamdan buharlaştırıcı tarafından çekilen ısı, sistemin soğutma yüküne eşittir Belirlenen soğutma yükünün sağlanabilmesi için sistemde dolaşması gereken soğutucu akışkan kütle debisi

(22)
bağıntısı kullanılarak hesaplanmıştır Bu bağıntıdaki Qb soğutma yükü (buharlaştırıcı kapasitesi), h7 ve h6 sırası ile buharlaştırıcı çıkış ve girişindeki entalpilerdir

Kompresör gücü
Kompresör gücü, kompresör giriş ve çıkışındaki entalpinin fonksiyonu olarak;

Wk = ) (23)
bağıntısından hesaplanmıştır Bu bağıntıda h1 ve h2 sırası ile kompresörün giriş ve çıkışındaki entalpilerdir

Yoğuşturucu kapasitesi
Yoğuşturucunun, soğutulan ortamdan buharlaştırıcı tarafından çekilen ısı ve soğutucu akışkanın kompresör ile emme ve basma hattı borularında çevreden kazandığı ısıyı, çevreye atacak kapasitede olması gerekir Yoğuşturucu kapasitesi, yoğuşturucu giriş ve çıkışındaki entalpi değerleri kullanılarak;

Qy = ) (24)
bağıntısından hesaplanabilir

Soğutma etkinliği (COP)
Soğutucunun soğutma gücünün, tükettiği enerjiye oranı olarak tanımlanan COP aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır

COP = (25)
Bu bağıntıda; Qb soğutucunun soğutma yükünü, Wk ise kompresör gücünü göstermektedir

10 REFUTIL Yazılımı
REFUTIL yazılımının kullanılması ve termodinamik özelliklerin elde edilmesi ile ilgili yapılması gerekenler aşağıda ayrıntılı olarak verilmiştir

Doymuş şartlar tablosu
REFUTIL yazılımının bu bölümünde, seçilen sıcaklık aralığı ve adımında, seçilen soğutucu akışkana ait o sıcaklıklara karşılık gelen doyma basınçları (bar), doymuş sıvı ve doymuş buhar fazının özgül hacim değerleri (dm³/kg, m³/kg), entalpi (kJ/kg) ve entropi (kJ/kgK) değerleri ile gizli buharlaşma ısısı (kJ/kg) elde edilebilmektedir

Doymuş şartların seçilmesi halinde, öncelikle bilgisayar ekranına gelen diyalog kutusundan doymuş faz özellikleri istenen soğutucu akışkan seçilmelidir Bu şekilde örnek olarak elde edilen R134a soğutucu akışkanına ait doymuş şartlar tablosu Çizelge 21’de verilmiştir

Özellikler tablosu
Seçilen soğutucu akışkanın, belirlenen herhangi iki parametre değerine göre elde edilen tablodan, bu akışkanın seçilen parametre değerlerinde, doymuş buhar ve doymuş sıvı fazlarının basınç ve sıcaklığı, kızgın buhar ve doymuş sıvı fazlarının entalpi ve entropi değerleri, sıvı ve buhar fazlarının özgül hacimleri cp ve cv değerleri, viskoziteleri ve ısıl iletkenlikleri ile gizli buharlaşma ısısı elde edilmektedir

Öncelikle ekranda beliren diyalog kutusundan özellikleri istenen soğutucu akışkan seçilmelidir Daha sonra sıcaklık-basınç, özgül hacim veya entropi, basınç-özgül hacim, entalpi veya entropi, özgül hacim entalpi veya entropi parametrelerinden gerekli olan seçilmeli ve bu parametrelere ait istenen değer aralığı ile adımları belirlenmelidir Bu şekilde oluşturulan tablodan, seçilen iki parametre değerine karşılık gelen yukarıda anlatılan termodinamik özellikler elde edilir

p-h diyagramı
REFUTIL bilgisayar programının bu bölümünde, seçilen soğutucu akışkanın alt ve üst sınırları belirlenen sıcaklık ve basınç değerlerinde P-h diyagramı çizilmektedir Bilgisayar ekranında beliren P-h diyagramı üzerine, tek kademeli, çift kademeli veya çift kademeli ve ısı değiştirgeçli soğutma çevrimleri çizdirilebilmektedir Örneğin, tek kademeli soğutma çevrimi için hesaplar yaptırılmak istendiğinde, menüde bulanan “input cycle” komutu çalıştırılmalı, ekrana gelen diyalog kutusundan “one-stage” komutu seçilmelidir Çizdirilecek soğutma çevrimine ait, buharlaştırıcı ve yoğuşturucudaki soğutucu akışkan sıcaklıkları ile aşırı ısıtma ve alt soğutma sıcaklık değerleri, kompresör emme ve basma hattındaki basınç kayıpları, kompresör verimi ve soğutma yükü değerleri girilmelidir Böylece dataları verilen soğutma çevrimi ekrandaki P-h diyagramı üzerine çizdirilmiş olur Bu çevrime ait noktalardaki termodinamik değer ile yoğuşturucu ve buharlaştırıcı kapasiteleri, kompresör işi, soğutma etkinliği, alçak ve yüksek basınç oranları ve belirlenen soğutma yükünde sistemde kullanılması gereken soğutucu akışkanın kütlesel ve hacimsel debisi elde edilmiş olur Şekil 21’de verilen soğutma çevriminin, yoğuşturucu, kısılma vanası, kompresör ve buharlaştırıcı giriş ve çıkış noktalarındaki termodinamik özellikler ve hesaplanan değerler Şekil 23’de ve Çizelge 22’de gösterilmiştir

Çalışmada buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimlerinin Termodinamik analizi yapılmıştır Termodinamik analizde gerekli olan soğutma yükü, kompresör verimi, yoğuşturucudaki ve buharlaştırıcıdaki akışkan sıcaklıkları, kompresör emme ve basma hattındaki basınç kayıpları ile uygulanacak alt soğutma ve aşırı ısıtma sıcaklık değerleri seçilmiştir Seçilen bu değerler, REFUTIL yazılım Programı kullanılarak çevrimin referans noktalarındaki termodinamik özellikleri ile buharlaştırıcı ve yoğuşturucu kapasiteleri, kompresör gücü, basınç oranı, soğutucu akışkanın kütle debisi, COP’si belirlenmiştir Ayrıca belirlenen soğutma yükünde, R134a alternatif soğutucu akışkanı için, ticari soğutucularda kullanılan kılcal boru uzunluğu amprik model kullanılarak hesaplanmıştır

11 Bu Çalışmanın Amacı
Ozon tabakasını tahrip etme potansiyeline sahip olan soğutucu akışkanların, Montreal protokolüne göre üretim ve tüketimlerinin sınırlandırılması, bu akışkanların yerine kullanılabilecek ve ozonu tahrip etme potansiyelini “0” veya sıfıra yakın olan alternatif soğutucu akışkanların geliştirilmesi gereğini doğurmuştur

Bu çalışmanın amacı, buhar sıkıştırmalı ticari soğutucular için, kompresör gücü, COP, buharlaştırıcı ve yoğuşturucu kapasiteleri, basınç oranları, kütle debisi gibi parametreler için R12, R22, R502 soğutucu akışkanları ile bunlara alternatif olacak R134a, R290, R404A, R407C, R410A, R507 ve R407A soğutucu akışkanları karşılaştırmak ve en uygun alternatif soğutucu akışkanı, istenilen çalışma aralığı olan – 40 £ Tb £ 0°C düşük buharlaştırıcı sıcaklıklarında belirlemektir

Bunun için, Ty = 40°C yoğuşturucu sıcaklığın da, – 40 £ Tb £ 0°C buharlaştırıcı sıcaklıklarında, buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminde yoğuşturucu çıkışındaki farklı alt soğutma (sıkıştırılmış sıvı) ile kompresör girişindeki farklı aşırı ısıtma (kızgın buhar) şartlarının, soğutucunun buharlaştırıcı ve yoğuşturucu kapasiteleri, kompresör gücü, kütle debisi ve COP’sine etkisini incelemektir

Bu çalışmanın diğer bir amacıda, R12 ile çalışan derin dondurucunun R134a’ya dönüşümünün yapılması için gerekli olan dönüşüm parametreleri belirlenerek, bölümümüz tarafından yazılan Ek 3’de verilen FORTRAN bilgisayar programı ile REFUTIL yazılım programı yardımıyla, derin dondurucunun R134a’ya dönüşümü için gerekli çalışma parametreleri belirlenerek, dönüşüm yapılmış ve dönüşümü yapılan derin dondurucu test edilmiştir

Mutfak tipi soğutucu için akışkan ve özellikleri
Düşük buharlaştırıcı sıcaklığı uygulamalarında (-40 £ Tb £ 0°C), soğutucularda tek kademe sıkıştırma ile R12 soğutucu akışkanı kullanılmaktadır Fakat CFC içeren R12 vb soğutucu akışkanlar yakın bir zamanda kullanılmayacaktır Düşük sıcaklık uygulamalarında bu akışkanların yerine ozon tüketme potansiyeli (ODP) “0” olan alternatif soğutucu akışkanlar kullanılacaktır R12’ye ve R22’ye alternatif olarak R134a önerilmektedir[3]

Bu çalışmada R12 soğutucu akışkanı yerine alternatif olarak R134a, R290, R404A, R410A, R507, R407C, R407A soğutucu akışkanların kullanılabilirliği incelenmiş ve alternatif soğutucu akışkan seçilmiştir Soğutucu akışkanların karşılaştırılmasına yardımcı olacak akışkanların fiziksel özellikleri Ek 13’de, kimyasal formülleri, bileşimleri ile Montreal protokolü kapsamında kullanılabilirlikleri Ek 12 ve Ek 13’de, soğutucu akışkanların kullanım alanları Ek 18’de verilmiştir

Soğutucu Akışkanlarla İlgili Bazı Kavramlar
CFC içeren soğutucu akışkanların yerine kullanılabilecek alternatif akışkanların incelenmesi ve karşılaştırılması sırasında, bu akışkanlarla ilgili bazı kavramlar aşağıda verilmiştir

Ozon tüketme potansiyeli (ODP):
Ozon tabakasının incelmesine veya parçalanmasına neden olan soğutucu akışkanların ozon tabakasını etkileme potansiyelidir

Bu değer R11 soğutucu akışkanı referans alınarak belirtilmektedir Başka bir ifadeyle R11’in ozon tüketme potansiyeli 10 kabul edilmektedir

Küresel ısıtma potansiyeli (GWP):
Soğutucu maddelerin veya benzer gazların küresel ısınmaya (Sera etkisine) katkı gücüdür Küresel ısıtma potansiyeli CO2 referans alınarak 100 yıllık bir süreye göre belirlenmektedir CO2 için bu değer 10 dır

Küresel Isıtma Etkisi (GWE):
Atmosfer gazlarının yer yüzünden yansıyan uzun dalga boylarındaki (kızıl ötesi) ışınları soğurarak yeryüzü seviyesine yakın bölgelerdeki hava sıcaklığını artırma etkisidir Bu etki sera etkisi olarakda adlandırılmaktadır

Zehirlilik sınır değeri (TLV):
Zehirlilik sınır değeri, ppm olarak zehirli gazın havadaki hacimsel konsantrasyonunu ifade etmektedir Başka bir deyimle, zehirli bir gazın mevcut olduğu bir ortamda bulanan insanların uzun süre etkilenmeden kalabilecekleri ortam koşullarını ifade etmektedir

Yanma Isısı
HF, Cl2, H2O ve CO2’nin yanma sonucu çıkan ürünler olarak kabul edilmesi sonucu hesaplanan değerdir Oksijen ile reaksiyon zor olduğu durumlarda negatif veya çok düşük değerler elde edilir

Tutuşma alt sınırı (LFL) :
Belirli koşullarda yanıcı ve yakıcı gazların homojen karışımında ölçü başlatabilecek minimum yanıcı madde konsantrasyonudur

Azeotrop :
Farklı uçuculuğa sahip maddelerden oluşan karışım olup soğutma çevriminde kullanıldığında, sabit basınç altında buharlaşma ve yoğuşması esnasında hacimsel bileşimi ve doyma sıcaklığı değişmeyen bileşimdir

Zeotrop :
Farklı uçuculuğa sahip maddelerden oluşan karışım olup soğutma çevriminde kullanıldığında, sabit basınç altında buharlaşma ve yoğuşma esnasında hacimsel bileşimi ve doyma sıcaklığı değişen bileşimdir

12 Alternatif Soğutucu Akışkanlar
CFC (kloroflorokarbon)’lerin ozon tabakasına olumsuz etkisi, ODP’si sıfır olan alternatif soğutucu akışkanların kullanımını gerektirir Donmuş gıda depolama dolapları ve gıda dondurucularının ucuz ve yüksek etkinlikte çalışmasını sağlayacak iyi ısıl özelliklere sahip soğutucu akışkanın seçilmesi gerekir

Diğer taraftan soğutucunun, optimum miktarda soğutucu, akışkan ile şarj edilmesi gerekir Literatürde verilen çalışmalarda, donmuş gıda depolama dolapları ve gıda dondurucularında kullanılabilecek alternatif soğutucu akışkanlar olarak, R134a, R407C, R404A, R410A, R407A, R502, R507, R290 (Propan) önerilmiştir [5]

Diğer taraftan GWP etkilerinden dolayı bu soğutucu akışkanlardan ilk altısı geçiş dönemi akışkanlarıdır Literatürde uzun dönemde kullanılabilecek soğutucu akışkanlar üzerinde de çalışmalar yapılmaktadır

Bu çalışma kapsamında ozon tabakasının incelmesine neden olan soğutucu akışkanların yerine yukarıda belirtilen yeni alternatif soğutucu akışkanların tasarlanmasında ilk aşamada soğutucu akışkan seçimi yapılmalıdır Bunun için buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin termodinamik analizinin yapılması gerekir Seçilen alternatif soğutucu akışkanın gerektirdiği kompresör, soğutma gücü dikkate alınarak seçilmelidir Buharlaştırıcı ve yoğuşturucunun ısı yükleri hesaplandıktan sonra donmuş gıda depolama dolabı ve gıda dondurucusunun seçilen soğutucu akışkan ile çalışması için gereken dönüşüm işlemi yapılarak, soğutucu deneye hazır hale getirilmiştir

Bu çalışma kapsamında incelenen alternatif soğutucu akışkanların genel özellikleri aşağıda verilmiştir

R134a soğutucu akışkanı ve ısıl özellikleri
R134a (CF2CH2F) soğutucu akışkanı; saf bir soğutucudur Dolayısıyla tek bir bileşimden oluşmuştur ve bir fazda diğerine (örneğin sıvıdan buhara gibi) geçişlerde sıcaklık kaymaları oluşmaz

Ek 21’de P-h diyagramı Ek 14’de fiziksel özellikleri verilen R134a, Fiziksel özellikleri R12’ye en yakın olan alternatif soğutucu akışkandır Halen ozon tüketme katsayısı “0” olan ve diğer özellikleri dikkate alındığında en uygun alternatif soğutucu akışkan olarak önerilmektedir Araç soğutucuları, ev tipi soğutucular için en uygun alternatif olarak bilinmektedir

R134a, yatırım masrafları makul olan ve soğutucu cihazlarda fazla değişiklik gerektirmeden kullanılması mümkün olan bir alternatif soğutucu akışkandır Düşük sıcaklık için çift kademeli sıkıştırma gerekmektedir R134a, mineral yağlarla uyumlu olmadığından poliester veya poliolalkalin glikol bazlı yağlarla kullanılmalıdır [2]

Ayrıca R134a’nın p-h diyagramı Ek 21’de, fiziksel özellikleri Ek 14’de, R134a ve R12 soğutucu akışkanlarının -5°C’deki buharlaşma sıcaklığında termodinamik özelliklerinin karşılaştırılması Ek 16’da R134a ve R12 soğutucu akışkanlarının 40°C’deki yoğuşma sıcaklığında termodinamik özellikleri Ek 17’de, Bu özellikler soğutucu akışkanların karşılaştırılmasına ve alternatif akışkanların seçimine yardımcı olan özelliklerdir

R507 soğutucu akışkanı ve ısıl özellikleri
R507 soğutucu akışkanı, derin dondurucular, buz makineleri vb düşük sıcaklık uygulamalarında kullanılan, ODP oranı 0,33 olan R502 soğutucu akışkanına alternatif olarak geliştirilmiştir R125 ile R143a’nın karışımıdır Ağırlık olarak karışım oranları % 50 R125 ve % 50 R143a’dır ODP oranı sıfırdır Karışım içinde R143a’nın bulunması, küresel ısıtma potansiyeline neden olmaktadır

R507 soğutucu akışkanı ile çalışacak soğutucularda poliester yağlama maddeleri kullanılmalıdır Bir çok kompresör üreticisi özel poliester yağlama maddelerini tavsiye etmektedir R507 soğutucu akışkanı, zehirlilik açısından her türlü uygulamada güvenle kullanılabilmektedir Yüksek yoğunlukta R507 buharı solunması halinde kalp düzensizlikleri ve muhtemelen kalp krizine yol açabilmektedir Çevre sıcaklığında ve atmosfer basıncında yazıcı değildir Ancak yüksek basınç ve sıcaklıklarda hava ile karışması halinde yanıcı olabilir, tutuşabilirliği yoktur [6]

R404A soğutucu akışkanı ve ısıl özellikleri
R404A soğutucu akışkanı, R125, R134a ve R143a soğutucu akışkanlarından oluşmuştur Ağırlıkça % 44 R125, % 4 R134a ve % 52 R143a soğutucu akışkanlarından oluşmaktadır ODP oranı sıfırdır Yapısında R143a bulunduğundan yüksek küresel ısıtma potansiyeline sahiptir R502 ve R22 soğutucu akışkanlarına alternatif olarak geliştirilmiştir Genel olarak süper market soğutucuları gibi düşük ve orta düzeyde buharlaştırıcı sıcaklığı gerektiren uygulamalar için düşünülmektedir[2] R404A soğutucu akışkanının ısıl performansı ve kritik sıcaklığı R502 soğutucu akışkanına çok yakındır Hava soğutmalı sistemlerde yoğuşma sıcaklığının R22’den daha yüksek ve kritik sıcaklığının daha düşük olması R404A’nın bir dezavantajıdır Aynı çalışma şartlarında hacimsel kapasitesi R22 soğutucu akışkanından daha yüksek, performans katsayısı ise daha düşüktür

R290 soğutucu akışkanı ve ısıl özellikleri
R290 soğutucu akışkanı hidrokarbonlar sınıfına giren doğal soğutucu akışkandır ODP oranı sıfır olup sera etkisi çok düşüktür Bu özellikleri sebebiyle R502, R22 ve R12 soğutucu akışkanları için önemli bir alternatiftir

Yanıcılık özelliği ve solunum güçlüğü yaratması nedeniyle kullanım alanı oldukça kısıtlıdır R12 ile kullanılan yağlara uyum göstermektedir Ucuz ve kolay temin edilebilir olmasının yanı sıra hacimsel soğutma kapasitesinin R12 soğutucu akışkanına göre daha yüksek olması önemli bir avantajıdır

R410A soğutucu akışkanı ve ısıl özellikleri
R410A soğutucu akışkanı, R32 ve R125 karışımlarından oluşan yarı-azeotropik özellikleri taşır Molekül ağırlığının % 50’sini R32, diğer % 50 sini R125 soğutucu akışkanı oluşturur Yarı-azeotropik karışım olmasından dolayı, sıcaklık kaymaları (glide) önemli değildir Ancak R410A soğutucu akışkanı R22’ye göre daha yüksek basınçlarında çalışır Bugüne kadar yapılan deneylerden, R410A alternatif soğutucu akışkanı, R22’nin teorik özellikleri elde edilememesine rağmen, termik alışveriş özelliklerinin, çoğu tesislerde daha üstün olduğu görülmüştür R410A alternatif soğutucu akışkanının kullanılması durumunda soğutma devresi ve makineler büyük oranda tekrar düzenlenmelidir Avantajları ise şunlardır; Bu soğutucu akışkanlar daha yoğun, daha büyük çalışma basınçlı ve daha büyük termik alışveriş kapasiteli olduklarından, soğutucunun elemanlarının ebadını küçültme imkanını sağlar ve özelliklede R22’nin soğutma kapasitesine göre % 50 – 60 arasında artış sağlar

Soğutucu akışkanı ve ısıl özellikleri
R407A soğutucu akışkanı, ozon tüketme potansiyeli (ODP) “O” olan alternatif soğutucu akışkan olup, ağırlıkça bileşimini sırasıyla R32, R125 ve R134a soğutucu akışkanları oluşturmaktadır Yüzde olarak da R32 % 20, R125 % 40 ve R134a % 40’nı oluşturur Bu soğutucu akışkan düşük ve orta sıcaklıklarda kullanılan ve poliester bazlı yağlarla uyum sağlayan alternatif bir soğutucu akışkandır

337 R502 soğutucu akışkanı ve ısıl özellikleri
R502 soğutucu akışkanı, Montreal protokolü kapsamında üretimi ve kullanımı yasaklanan veya kısıtlamaya tabi tutulan bir soğutucu akışkandır Atmosferik basınçta kaynama sıcaklığı – 45°C dir R502’nin özellikle düşük sıcaklıklarda soğutma etkisi büyüktür Ağırlıkça bileşimi R115 ve R22’den oluşmakta olup, yüzde olarak % 51,2 R115 ve % 48,8 R22’den oluşmaktadır En çok kullanıldığı alan soğuk taşımacılık ve ticari soğutuculardır

3 R407C soğutucu akışkanı ve ısıl özellikleri
R407C soğutucu akışkanı, karışım olarak R32, R125 ve R134a’den oluşmakta olup, yüzde olarak % 23 R32, % 25 R125 ve % 52’de 134a’dan oluşur Montreal protokolü kapsamında kullanımı yasaklanan veya kısıtlamaya tabi tutulan soğutucu akışkanlara alternatif akışkandır

Mutfak Tipi soğutucu için akışkan seçimi
Bu bölümde derin dondurucular için alternatif soğutucu akışkanlar kullanılarak buhar sıkıştırmalı soğutucunun termodinamik analizi gerçekleştirilmiştir Analizde kullanılan buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin çalışma parametreleri Çizelge 41’de verilmiştir R134a, R404A, R407A, R407C, R410A, R502, R507 ve R290 (Propan), buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi için alternatif akışkanlar olarak seçilmiş ve bu soğutucu akışkanlar için soğutma çevriminin termodinamik analizi yapılmıştır Farklı alternatif soğutucu akışkanlar ve yoğuşturucu sıcaklıkları için, çevrimin basınç oranı, kompresör gücü, soğutucu akışkan kütle debisi, soğutucunun etkinlik katsayısı, yoğuşturucu ısı kapasitesi ile alternatif soğutucu akışkanların etkinlik katsayılarının R12 ve R22'nin etkinlik katsayısına oranının buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi hesaplanmış ve karşılaştırılmıştır

Çizelge 41 Soğutma çevriminin analizinde kullanılan çalışma parametreleri

Soğutma yükü 500 W
Buharlaştırıcı sıcaklığı çalışma aralığı - 40 oC - 0 oC
Aşırı soğutma sıcaklık farkı 10 oC
Aşırı ısıtma sıcaklık farkı 4 oC
Kompresör verimi 0,7
Yoğuşturucu sıcaklığı 40 oC
Emme borusu basınç kaybı 0,02 bar
Basma hattı basınç kaybı 0,01 bar
Alternatif soğutucu akışkanlar R134a, R290, R404A, R407A, R410A, R507, R407C

500 W soğutma yükü ve 40 oC yoğuşturucu sıcaklığında buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin farklı alternatif akışkanlar için Pr basınç oranının, buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi Şekil 41'de verilmiştir Buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin basınç oranı, Py yoğuşturucu basıncının, Pb buharlaştırıcı basıncına oranı olarak tanımlanmıştır Soğutucu akışkanlarda düşük basınç oranı istenilen bir özelliktir

Şekil 41’de görüldüğü gibi R 134a basınç oranı en yüksek ve R290 (Propan) basınç oranı en düşük olan soğutucu akışkandır Bu fark, düşük buharlaştırıcı sıcaklıklarında daha açık olarak görülürken, yüksek buharlaştırıcı sıcaklıklarında azalmaktadır Farklı soğutucu akışkanlar için buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin yüksek ve düşük çalışma basınçları karşılaştırıldığında, çalışılan buharlaştırıcı sıcaklığı aralığında R12 ve R22 ‘nin basınç oranlarının birbirine çok yakın olduğu görülür Diğer taraftan, R404A, R507 ve R410A'nın basınç oranlarının birbirlerine yakın olması ve basınç oranları temel alındığında, R12 ve R22‘nin alternatifleri olarak görülmektedir Basınç oranının yüksek olması
R 134a için istenmeyen bir özelliktir

Şekil 41 500 W soğutma yükü ve 40 o C yoğuşturucu sıcaklığında soğutucunun
Basınç oranının buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi

Kompresör gücünün buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi Şekil 42’de verilmiştir Kompresör gücü, buharlaştırıcı sıcaklığı ile yaklaşık doğrusal olarak azalmaktadır Yüksek kompresör gücü gerektiren alternatif soğutucu akışkan R404A‘dır En düşük kompresör gücü gerektiren soğutucu akışkan R22‘dir

Şekil 42 500 W soğutma yükü ve 40 o C yoğuşturucu sıcaklığında soğutucunun
kompresör gücünün buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi

R22 soğutucu akışkanına yakın kompresör gücü gereksinimi gösteren alternatif soğutucu akışkan R407C‘dir R407C ile R22 arasındaki kompresör gücü farkı, -40 oC buharlaştırıcı sıcaklığında 0025 kW‘dır Diğer taraftan, aynı buharlaştırıcı sıcaklığında R12 ve R407C'nin aynı evaperatör sıcaklığındaki kompresör gücü yaklaşık aynıdır Diğer taraftan, R290, R502 ve R134a'nın, – 40 oC buharlaştırıcı sıcaklığında kompresör güçleri yaklaşık eşit ve 036 kW'dır Diğer taraftan, R407A, R410A ve R507 alternatif soğutucu akışkanların kompresör güçleri de yaklaşık eşit ve 0385 kW'dır Bu kompresör gücü R22'nin kompresör gücünden 0050 kW daha yüksektir Kompresör gücü gereksinimleri karşılaştırıldığında R407C ‘nin en düşük güç gereksinimine sahip olduğu görülür

Şekil 43 500 W soğutma yükü ve 40 o C yoğuşturucu sıcaklığında soğutucunun
kütle debilerinin buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi

Soğutucu akışkan kütle debisinin buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi Şekil 43’de verilmiştir Şekilde görüldüğü gibi soğutucu akışkanların kütlesel debilerinin buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi yaklaşık doğrusal ve yatay ile küçük bir açı yaparak azalmaktadır Diğer taraftan R290, minimum ve 0002 kg/s' ye eşit kütle debisine sahip alternatif soğutucu akışkandır R407C, R 290'dan sonra en az kütle debisi gerektiren soğutucu akışkandır ve -40 oC buharlaştırıcı sıcaklığında kütle debisi 00032 kg/s' dir R134a'nın -40 oC buharlaştırıcı sıcaklığındaki kütle debisi 00038 kg/s' dir ve bu debi R22‘den daha fazla, R12 ve R507‘den daha azdır R507, R12 ile yaklaşık aynı kütlesel debiye sahiptir En fazla kütlesel debi gerektiren alternatif soğutucu akışkanlar R502 ve R404A‘dır

500 W soğutma yükü ve 40 oC yoğuşturucu sıcaklığı için buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin soğutma etkinlik katsayısının (COP), buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi Şekil 44’te görülmektedir Soğutma etkinlik katsayısı buharlaştırıcı sıcaklığı ile artmaktadır R12 en yüksek soğutma etkinlik katsayısına sahip soğutucu akışkandır

Şekil 44 500 W soğutma yükü ve 40 oC yoğuşturucu sıcaklığında soğutucunun
soğutma etkinlik katsayısının, buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi

En düşük soğutma etkinlik katsayısına sahip olan R404A‘nı 0oC buharlaştırıcı sıcaklığında soğutma etkinlik katsayısı 364 ve - 40 oC buharlaştırıcı sıcaklığında değeri 119‘dur R407A, R507 ve R410A alternatif soğutucu akışkanları ise – 40o C' de 13 soğutma etkinlik katsayısına sahiptirler Soğutma etkinlik katsayısı en yüksek olan alternatif soğutucu akışkan R407C'dir ve – 40 oC buharlaştırıcı sıcaklığında değeri 144'dir

Şekil 45 500 W soğutma yükü ve 40 oC yoğuşturucu sıcaklığında, soğutucunun
soğutma etkinlik katsayısının R12'nin soğutma etkinlik katsayısına
oranının buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi

Çeşitli alternatif soğutucu akışkanların soğutma etkinlik katsayılarının, R12 soğutucu akışkanın soğutma etkinlik katsayısına oranlarının buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi Şekil 45’de görülmektedir Soğutma etkinlik katsayısı oranı en düşük olan alternatif soğutucu akışkan R404A ve en yüksek olanı R407C‘dir R404A‘nın – 40 oC buharlaştırıcı sıcaklığında 083 olan COP/ COP12 oranı, aynı sıcaklıkta R407C için 1007'dir R407A, R507 ve R410A‘nın COP/ COP12 oranları birbirine yakındır ve bu oran incelenen buharlaştırıcı sıcaklığı aralığında 090 ile 094 arasında değişmektedir R290, R134a ve R502‘nin soğutma etkinlik katsayıları oranı da birbirine çok yakın ve – 40 oC ile – 25 oC buharlaştırıcı sıcaklıklarında yaklaşık eşittir Bu akışkanlardan R502' nin, buharlaştırıcı sıcaklığı 0 oC’ye yaklaşırken soğutma etkinlik katsayısı da R12 ‘nin soğutma etkinlik katsayısına yaklaşmaktadır Şekil 45’e göre soğutma etkinlik katsayısı oranı yüksek olan alternatif soğutucu akışkan R 407C'dir R 290, R 134a ve R 502'nin COP/ COP12 oranı 10'a yakın ve ortalama 098'dir

Şekil 46 500 W soğutma yükü ve 40 oC yoğuşturucu sıcaklığında, soğutucunun
soğutma etkinliğinin R22' nin soğutma etkinliğine oranının buharlaştırıcı
sıcaklığı ile değişimi

Şekil 46’da çeşitli alternatif soğutucu akışkanların etkinlik katsayılarının, R22 soğutucu akışkanın etkinlik katsayısına oranlarının, buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi görülmektedir Şekilde görüldüğü gibi R407C alternatif soğutucu akışkanı, R22 soğutucu akışkanının soğutma etkinlik katsayısı oranına oldukça yakın ve 0 oC’de değeri 097‘dir R12 ile karşılaştırıldığında R407C ‘nin soğutma etkinlik katsayısının daha yüksek olduğu belirtilmişti COP/ COP22 oranı en düşük olan alternatif soğutucu akışkan R404A olup, bu oran, – 40oC ile 0 oC buharlaştırıcı sıcaklığı aralığında 078 ile 086 arasında değişmektedir R410A, R507 ve R407A ‘nın COP/COP22 oranlarının değerleri birbirlerine yakındır ve – 40oC ile 0 oC buharlaştırıcı sıcaklığı aralığında 086 ile 09 arasında değişmektedir R407C ‘den farklı olarak R290, R134a ve R502 alternatif soğutucu akışkanların COP/ COP22 oranları – 40oC ile 0 oC buharlaştırıcı sıcaklığı aralığında 093 ile 096 arasında değişmektedir Bu sonuçlara göre R407C yüksek COP22/COP oranına sahip alternatif soğutucu akışkandır R290, R134a ve R502'de soğutma etkinlik katsayıları R22 ‘ye yakın olan alternatif soğutucu akışkanlardır

Şekil 47 500 W soğutma yükü ve 40 oC yoğuşturucu sıcaklığında, soğutucunun
yoğuşturucu ısı kapasitesinin buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi

Şekil 47’de 500 W soğutma yükündeki buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin, yoğuşturucuda çevreye olan ısı aktarımının buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi görülmektedir Yoğuşturucuda, çevreye olan ısı aktarımı buharlaştırıcı sıcaklığı ile azalmaktadır Alternatif soğutucu akışkanlar karşılaştırıldığında, en düşük yoğuşturucu ısı kapasitesine sahip soğutucu akışkan R22, en yüksek yoğuşturucu ısı kapasitesine sahip olan soğutucu akışkan ise R404A’dır R407C'nin -40 oC buharlaştırıcı sıcaklığındaki yoğuşturucu ısı kapasitesi 085'dir ve bu değer R134a’nın kapasitesinden küçüktür Elde edilen bu sonuçlar literatürde verilen sonuçlarla uyum içerisindedir [5, 6]

Soğutucu akışkanların karşılaştırılması
Alternatif akışkan seçiminde sistemin soğutma etkinlik katsayısının, kompresör gücünün, kütle debisinin ve basınç oranlarının dikkate alınması gerekirBunun için buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin termodinamik analizi yapılmıştır Karşılaştırma için termodinamik analizden elde edilen, buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerinde kullanılabilecek alternatif soğutucu akışkanların, - 40 oC buharlaştırıcı sıcaklığındaki,bazı çalışma parametreleri Çizelge 42’de verilmiştir

R134a, R502, R290 ve özellikle R407C alternatif soğutucu akışkanlarının, soğutma etkinlik katsayıları yüksektir Kompresör gücü ve soğutucu akışkanın kütle debisi açısından R407C uygun bir alternatif soğutucu akışkandır Çevrimin yüksek ve düşük basınçları dikkate alındığında R134a ve R407C alternatif soğutucu akışkanlarının basınçları düşüktür ve seçimleri uygun olur Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında, donmuş gıda depolama dolapları ve gıda dondurucuları için uygun olan alternatif soğutucu akışkanlar R407C ve R134a'dır

Çizelge 42 500 Watt kapasite ve -40 oC buharlaştırıcı sıcaklığında soğutucuda
farklı soğutucu akışkanlar kullanılması durumunda bazı çalışma
parametrelerinin değerleri

Soğutucu Akışkan R
22 R 407C R
12 R
134a R
290 R 404A R 407A R 410A R
507 R
502
Buharlaştırıcı basıncı (bar) 103 094 064 052 11 133 096 180 140 128
Yoğuşturucu basıncı (bar) 1505 1678 9581 1024 1365 1817 1656 2394 1891 1656
Yoğuşturucu ısı kapasitesi (W) 834 847 849 862 861 921 880 886 886 862
Kompresör gücü (W) 334 347 349 362 361 421 382 385 386 362
Kompresör
gücü (kJ/kg) 1031 1069 7307 9438 180 8056 1021 1156 8212 6887
Kütle debisi (g/s) 329 324 478 389 201 523 374 334 470 526
COP 15 144 143 138 139 119 132 130 130 138

Mutfak tipi Soğutucunun tasarımı
Soğutma gücü düşük, genleşme valfi yerine kılcal boru kullanılan,buharlaştırıcı sıcaklıkları uygulamaya göre değişen, mutfak tipi soğutucunun tasarımı yapılacaktır
Bir soğutma sistemi tasarlanırken aşağıdaki bilgilere ihtiyaç vardır
a) Soğutucunun kullanılacağı bölge
b) Soğutucunun kullanılma amacı
c) Soğutucunun soğutma kapasitesi

Soğutucunun kullanılacağı bölgeye göre çevre sıcaklığı, soğutucunun kullanım amacına göre soğutucu iç ortam sıcaklığı belirlenebilir Bunlara ilave olarak soğutucunun büyüklüğü de bilinirse, bir soğutma sisteminin tasarımında ilk aşama olan soğutma yükü hesaplanabilir Daha sonra, bu soğutma yükünü sağlayacak sistemin tasarımı yapılabilir Belirlenen soğutma yükünü sağlayacak buharlaştırıcının, kompresörün, yoğuşturucunun kapasitelerinin ve kılcal boru uzunluğunun hesaplanması gerekir

52 Soğutma Yükünün Hesaplanması
Bir soğutma sisteminin tasarımında ilk aşamada soğutma yükünün ve sistemin birim zamanda ne kadar ısıyı soğutulan ortamdan dış ortama atması gerektiğinin hesaplanması gerekir

Soğutma yükü, değişik yollardan soğutulan ortama aktarılan ısı ile sistem içinde üretilen ısıların toplamına eşittir Bunlara sistemin ısı kazancıda denilir Tasarımı
yapılan derin dondurucunun soğutma yükünü bulmak için bölümümüz tarafından FORTRAN dilinde yazılan Ek 3’de verilen program yardımıyla soğutma yükü hesaplanmıştır Sistemin ısı kazancını aşağıdaki şekillerde gruplandırabiliriz

5 İletim ile ısı kazancının hesaplanması
Soğutulan ortamı çevreleyen duvar, döşeme ve tavandan geçen ısıdır ve
Q = AUDT 7 (51)
bağıntısı kullanılarak hesaplanabilir Bu bağıntıdaki A ısı aktarım alanıdır ve soğutucunun fiziksel boyutlarından hesaplanır
Sıcaklık farkı: DT, Soğutucunun kullanılacağı bölgenin sıcaklığı ile soğutucunun kullanım amacına göre soğutucu iç ortam sıcaklığı arasındaki fark şeklinde belirlenir

Toplam ısı geçiş katsayısı: U çeper ve yalıtım malzemesinin kalınlığına ve çeperde kullanılan malzemelerin cinsine bağlıdır Çeper malzemelerinin ısı iletim katsayıları ile dış ve iç yüzeylerdeki taşınım aktarım katsayıları U’nun hesaplanmasında kullanılır Tasarımını yaptığımız derin dondurucunun şematik görünümü Şekil 51’de verilmiştir

5 Ürün ısısı
Soğutulan ortamda olan maddelerin ortam sıcaklığına gelinceye kadar yaydıkları ısıdır Sıcaklığı dolap iç sıcaklığından daha yüksek bir ürün, dolap içine konulduğunda, bu ürün dolap içi sıcaklığına gelinceye kadar, dolap içinde ısı yayar Diğer taraftan dolaba konulan ürün bir başka soğutucudan alınarak dolaba konulursa, ters yönde bir ısı geçişi olur

Dondurulmuş ürün, dolap sıcaklığına ulaşıncaya kadar soğutulan ortamdan ısı çeker Dolap iç sıcaklığı ürünün donma sıcaklığının üstünde bir sıcaklıkta ise, ürün dolaba konulduğunda yaydığı ısı, soğuk ortamın sıcaklığına, giriş sıcaklığına, ürünün kütlesine ve özgül ısısına bağlıdır ve aşağıdaki bağıntıdan hesaplanabilir

Q = m cDT (52)
Bu bağıntıda;
Q = Ürün ısısı (w)
m: Ürünün kütlesi (kg)
c: Ürünün özgül ısısı (W/m²°C)
DT: Ürünün sıcaklık farkı (°C )

Eğer soğutucu iç ortam sıcaklığı ürünün donma sıcaklığının altında ise, ürün ısısı hesaplanırken donma ısısının da göz önüne alınması gerekir
Q = mc(Tg – Tdon) + mhif + mc (TdonTbağ)
bağıntısı kullanılarak hesaplanır

Ürün ısısı hesaplanırken, FORTRAN dilinde yazılmış olan bilgisayar programıyla hesaplama yapılmıştır Derin dondurucunun tasarımında, soğutma yükü hesaplanırken, vişne, çilek, et, kiraz, bezelye derin dondurucuda ürün olarak düşünülmüştür

İnfiltrasyon ısı kazancının hesaplanması
İnfiltrasyon ısı kazancı, soğutulan ortamın kapılarının açılıp kapanması sırasında dışarıdan soğutucuya giren havanın taşıdığı ısı enerjisidir Birçok uygulamada bunu hassas olarak hesaplamak oldukça zordur Bu yolla soğutulan ortama giren enerji soğutma yükünün önemli bir kısmını oluşturur Tasarımını yaptığımız derin dondurucunun bir günde en fazla 50 defa açılıp kapanacağı varsayılarak ısı kazancı hesaplanmıştır İnfiltrasyon ısı kazancının hesaplanması aşağıdaki bağıntıdan hesaplanabilir

İnfiltrasyon ısı kazancı = nU (ρdhd- ρi hi) (53)

Bu bağıntıda, n hava değişim sayısı, U soğutucu hacmi (m³),
ρ d : Dış ortam havasının yoğunluğu (kg/m³),
hd : Dış ortam havasının entalpisi (kJ),
ρi : İç ortam havasının yoğunluğu (Kg/m³)
hi : İç ortam havasının entalpisi (kJ) dir

Hava değişimi, soğutucunun içindeki havanın günde kaç defa dış ortam havasıyla değiştiğini gösterir Bu sayı, önemli ölçüde, kullanıcının tutumu ve uygulamaya bağlıdır Tasarımda bu sayı maksimum değer alınarak hesaplama yapılmalıdır

Türkiye’de imal edilen donmuş gıda depolama dolapları ve gıda dondurucularında çalışma akışkanı olarak ozon tabakasına zarar veren R12 ve R22 soğutucu akışkanlar kullanılmaktadır R12 ve R22’den alternatif soğutucu akışkanlar kullanılarak derin dondurucu için dönüşüm (retrofit) yapılırken R134a ve R407C soğutucu akışkanların en uygun alternatif soğutucu akışkanlar olduğu belirlenmiştir Dönüşümü yapılacak olan derin dondurucuda R134a alternatif akışkanı kullanılacaktır Dönüşüm için derin dondurucu olarak “Uğur Soğutma Sanayii Ticaret AŞ”nin 100lt kapasiteli göğüs tipi derin dondurucusu kullanılmıştır

Çizelge 5 Soğutucunun özellikleri

Brüt hacim (lt) 400
Net hacim (lt) 104
İç ölçüler (mm) 445x445x520
Dış ölçüler (mm) 570x610x360
Emme borusu dış çapı (mm) 6,35
Emme borusu iç çapı (mm) 4,93
Basma borusu dış çapı (mm) 6,35
Basma borusu iç çapı (mm) 4,93
Kılcal boru dış çapı (mm) 2
Kılcal boru iç çapı (mm) 0,8
Soğutucu akışkan R12
Akışkan miktarı 0,110 kg
Enerji sarfiyatı 1,1 Kwh/24h
Donma kapasitesi 6 kg/24h
Kompresör gücü 1/8 Hp
Kompresör Tipi AZ78A LRA: 72
Elektrik Özellikler 220 volt 50 Hz-130 W 0,35A

Çizelge 51’de özellikleri verilen derin dondurucuda, R134a’ya dönüşüm yapılırken soğutma sisteminin bazı çalışma parametreleri üretici firmadan temin edilememiş ve bunlar için kabuller yapılmak zorunda kalınmıştır REFUTIL bilgisayar programı kullanılarak hesaplanan 250 W soğutma yükü için seçilen derin dondurucunun çalışma parametreleri Çizelge 52’de verilmiştir

Çizelge 52 Derin dondurucunun çalışma parametreleri

Buharlaştırıcı sıcaklığı, Te (°C) -20
Yoğuşturucu sıcaklığı, Ty (°C) 40
Aşırı soğutma sıcaklık farkı,DTalt (°C) 30,5
Yoğuşturucu basıncı, Py (bar) 10,2
Buharlaştırıcı basıncı, Pe (bar) 0,5
Emme hattı basınç kaybı (kpa 0,02
Basma hattı basınç kaybı (kpa) 0,01
İzentropik kompresör verimi - 0,7

Kompresör Seçimi
REFUTIL Bilgisayar programı kullanılarak 250 W soğutma yükü için yapılan termodinamik analiz sonucunda kompresör gücü 0150 HP olarak hesaplanmıştır COPELAND kompresör üreticisinin hazırlamış olduğu, kompresör (ekovat) bilgisayar programı tasarımda kompresör seçiminde kullanılmıştırTermodinamik analiz sonucu elde edilen 0,150 HP güce en yakın kompresör gücü 0,353 HP’lik CX11K1-TFD modeli seçilmiştir R134a alternatif soğutucu akışkanı ile çalışan kompresörler COPELAND tarafından Y indisi kullanılarak üretilmekte ve satılmaktadır Bu kompresörler, kendi sınıflarının eşdeğeri olan R12 kompresörlerine en yakın şekilde adı geçen firma tarafından imal edilmiştir

13 Sonuçlar
Çalışma sonucunda, hesaplanan 250 W soğutma yükü için, derin dondurucular için yapılan dönüşümler sonucu elde edilen sonuçlar Çizelge 54’de verilmiştir

Çizelge 54 –2°C buharlaştırıcı sıcaklığında R134 a alternatif soğutucu
akışkan için elde edilen sonuçlar

Kompresör Tipi Copeland
Kompresör modeli CX11K1-TFD
Kompresör gücü (Hp) 0,353
Yoğuşturucu soğutma yükü (Watt) 355
Yoğuşturucu sıcaklığı (°C) 40
Buharlaştırıcı Sıcaklığı (°C) -25
Dolap içi sıcaklığı (°C) -20
Dış ortam sıcaklığı (°C) 37
Alt soğutma sıcaklık farkı (°C) 30,5
Aşırı ısıtma sıcaklık farkı (°C) 1
Yoğuşturucu basıncı (bar) 10,2
Buharlaştırıcı basıncı (bar) 0,5
Emme hattı basınç kaybı (bar) 0,02
Emme hattı dönüş sıcaklığı (°C) -20
Basma hattı basınç kaybı (bar) 0,01
Basma hattı dönüş sıcaklığı (°C) 66,5
İzentropik kompresör verimi 0,7
Qe (kj/kg) 147,134
Qc (kj/kg) 209,208
W (kj/kg) 62,074
COP 2,37
Basınç oranı (Pr) 7,643
Qe (kw) 0,250
Qc (kw) 0,355
M (kg/s) 0,001699
Kılcal boru uzunluğu (m) 2,06
Kılcal boru iç çapı (mm) 0,8

Yukarıda özellikleri verilen derin dondurucu, Uğur soğutma sanayi ltd şti’nin 100lt kapasiteli UDD100 BK soğutucusudur Bu derin dondurucu R12 soğutucu akışkanı ile çalışacak şekilde tasarlanmıştır Derin dondurucu, Çizelge 54’de verilen dönüşüm parametreleri sonucu, R134a alternatif soğutucu akışkanı ile çalışacak şekilde yeniden tasarlanmıştır Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı boru boyları, Kapileri tüp uzunluğu, nem alıcı ve kompresör bu soğutucu için değiştirilerek sisteme 130 gr R134a soğutucu akışkanı şarj edilmiştir Bu soğutucunun resmi şekil 53’ de verilmiştir

Sonuçların irdelenmesi
Bu çalışmada düşük – 40 ≤ Tb ≤ 0oC buharlaştırıcı sıcaklıklarında çalışan ticari soğutucularda alternatif soğutucu akışkanlardan R134a, R290, R404A, R407C, R410A, R507 ve R407A’nın kullanılabilirliği incelenmiştir Bu soğutucu akışkanlar için elde edilen sonuçlar R12, R22 ve R502 ile karşılaştırılmıştır

Soğutma gücü düşük, genleşme vanası yerine kılcal boru kullanılan, buharlaştırıcı sıcaklıkları uygulamaya göre farklı olabilen soğutucular, derin dondurucu olarak adlandırılmıştır

Bu çalışmanın diğer bir amacıda, termodinamik analiz sonucu elde edilen sonuçlar ile R12’ye alternatif soğutucu akışkan olarak R134a ve R407C’nin uygunluğunu ortaya koymuştur Dönüşümde alternatif soğutucu akışkan olarak R134a seçilmiştir Daha sonra derin dondurucunun R12’den R134a’ya dönüşümü için çalışma parametreleri belirlenerek soğutucunun dönüşümü yapılmış ve test edilmiştir

Derin dondurucunun düşük buharlaştırıcı sıcaklıklarındaki analizinde REFUTIL bilgisayar programı ile geliştirmiş olduğumuz FORTRAN dilinde yazılmış olan bilgisayar programı kullanılmıştır Termodinamik analizde kullanılan soğutucu akışkanların özellikleri REFUTIL’den alınmıştır Bu çalışmada, pratikte derin dondurucuların tasarımında kullanılacak olan alternatif soğutucu akışkan seçimine yardımcı olacak grafikler verilmiştirÇalışma sonucunda, buharlaştırıcı sıcaklığı arttıkça yoğuşturucu sıcaklığı ise azaldıkça soğutma sisteminin COP’sinin arttığı, basınç oranının, kompresör gücünün, yoğuşturucu kapasitesinin ve akışkan kütle debisinin ise azaldığı görülmüştür

Soğutma etkinlik katsayıları açısından incelendiğinde, ticari soğutucunun R22 ile çalışması halinde en fazla, R404A ile çalışması halinde ise en az soğutma etkinliğine sahip olduğu tespit edilmiştir Soğutma etkinliği açısından, R22 soğutucu akışkanının COP değerine en yakın olan alternatif soğutucu akışkanlar R134a ve R407C’dir R22’ye alternatif olarak R134a ve R290’nın kullanılması halinde, ticari soğutucunun soğutma etkinliği bir miktar azalmaktadır R12 soğutucu akışkanının COP değerine en yakın olan alternatif soğutucu akışkanlar ise R407C, R134a, R502 ve R290’dır R502 ile R507 karşılaştırıldığında, R502 soğutucu akışkanının COP’sinin daha yüksek olduğu görülür Kütle debisi açısından bakıldığında R502’nin daha fazla kütle debisine sahiptirBu durum R507 için bir avantajdır

Soğutucu akışkanlar, kompresör gücü açısından karşılaştırıldıklarında, R22 düşük kompresör gücü gerektirdiğinden ideal bir soğutucu akışkandır Alternatif soğutucu akışkanlardan R407C akışkanının kompresör gücü diğer alternatif soğutucu akışkan olan R134a, R507 ve R404A’ya göre daha düşüktür Bu durum R407C için bir avantajdır R404A soğutucu akışkanının kompresör gücü gereksinimi ise en fazla olan alternatif soğutucu akışkandır

Düşük buharlaştırıcı sıcaklıklarında,basınç oranları ve farklı akışkanlar arasındaki basınç oranları farkı yüksek iken, buharlaştırıcı sıcaklığı arttıkça basınç oranı ve akışkanlar arasındaki basınç oranı farkı azalmaktadır Basınç oranları dikkate alındığında soğutucu akışkanlardan R134a basınç oranı en yüksek R290 en düşük basınç oranına sahip alternatif soğutucu akışkandırBasınç oranının yüksek olması R134a için istenmeyen bir özelliktir

14 Yalıtım
Yalıtımda poliüretan kullanılacaktır Poliüretan içerisinde gözenekli ortamın oluşturulmasında R141a soğutucu akışkanının kullanılması planlanmaktadır

15 Defrost sistemi
Defrost sistemi olarak ısıtıcılı defrost sisteminin kullanılması planlanmaktadır

KAYNAKLAR
1 1994,Technologies forProtecting the Ozone Layer, Refrigeration Air conditioning and Heat Pumps, UNEP IE, France
2 Beşer, E, 1998, Soğutucu maddelerle ilgili dünyada ve Türkiye’de gelişmeler , Mühendis ve Makine, Cilt 39, Sayı 458, s15-26, Ankara
3 Stefanutti, L, Lassa, E, 1998, İklimlendirme ve Soğutma Sistemleri İçin Yeni Soğutkanlar,TTMD 111 Uluslararası Yapıda Tesisat Bilimi ve Teknolojisi Sempozyomu, 7-9 Mayıs1998, İstanbul
4 Savaş, S, 1987, Soğuk Depoculuk ve Soğutma Sistemlerine Giriş, Uludağ Üniversitesi Basımevi, Cilt 1, s17-20, Uludağ Üniversitesi Balıkesir Mühendislik Fakültesi, Balıkesir
5 Linton, J W, Snelson, WK,Triebe, ARand Hearty, PF, 1995, System performance comparision of R507 with R502, ASHRAE Transactions Vol 101 pp 502-510
6 Linton, J W, Snelson, W K, Triebe, A Rand Hearty, PF, 1995, System Performance Mesurements of four Long Term R502 Replacements in a test Facility Containig a Scroll Compressor, 19 th International Congress of Rerigeration, The Hague, The Netherlands
7 Ataer, Ö E, Usta, H, 1999, Alternatif akışkan seçiminde ticari soğutucuların test edilmesi, ULIBTK’99 12 Ulusal Isı Bilimi Kongresi, 8-10 Eylül 1999, 6s, Ankara
8 Ree, H, Replacement of R22, Bulletin ofthe International Institue 98-1, vol LXX5111, s5-16
9 Didion, DA , 1999, The Influence of the thermophyssical fluid properties of the new ozone-Safe Refrigerants on performance, Applied Thermodynamics V 2, no 1 pp 19-35, USA
10 Savaş, S, 1987, Soğuk Depoculuk ve Soğutma sistemlerine Giriş, Uludağ Üniversitesi Basımevi, Cilt 1, s17-20, Uludağ Üniversitesi Balıkesir mühendislik Fakültesi, Balıkesir
11 Skovrup, M J, Knudsen, H J H, Holm, HV 1998 Refrigeration Utilities version 121 yazılımı, 1998, Dept Of Energy Engineering, DTU, Denmark
12 Çengel, YA, Boles, MA, 1996, Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik, Eylül 1996, İstanbul
13 Bansal, P, K, Rupasinge, A S, 1996, An empirical model for sizing capillary tubes, Department of Mechanical Engineering, The Universty of Auckland,New Zeland
14 TS 7853, 1990, Soğutucu Dolaplar, ticari-Deney Metotları-Genel Deney Şartları, TSE, Ankara
15 ISO 1992/2, 1992 Commercial rerigerated cabinets- Methods of test - part2 : General Test Conditions, Switzerland
16 TS 7854, 1990, Soğutucu Dolaplar, Ticari-Deney Metotları-Sıcaklık Deneyi, TSE, Ankara
17 ISO 1992/3, 1992, Commercial refrigerated cabinets – Methods – part3 : Temperature Test, Switzerland
18 Kaya, T, 1998, Soğutma sistemleri için Deney Odası Tasarımı, İmali ve Performans Deneyleri, Yüksek Lisans Tezi, Ankara

EK 11 Saf Soğutucu Akışkanlar

Soğutucu Akışkan Kimyasal Tanımı Kimyasal Formülü Notlar
R 11 (CFC 11) Triklormetan CFCl3 w
R 12 (CFC 12) Diklorflormetan CF2C2 w
R 13 (CFC 13) Klortriflormetan CClF3 w
R 13B1 (BFC 13) Bromtriflormetan CBrF3 w
R 22 (HCFC 22) Klordiflormetan CHF2Cl ww
R 23 (HCF 23) Triflormetan CHF3 www
R 32 (HCF 32) Diflormetan CH2F2 www
R 113 (CFC 113) Triklortrifloretan C2F3Cl3 w
R 114 (CFC 114) Diklortetrafloretan C2F4Cl2 w
R 115 (CFC 115) Klorpentafloretan C2F5Cl w
R 123 (HCFC 123) Diklortrifloretan C2HF3Cl2 www
R 125 (HFC 125) Pentafloretan CF3CHF2 www
R 134a (HCF 134a) Tetrafloretan C2H2F4 www
R 141b(HCFC141b) Flordikloretan C2Cl2FH3 www
R 143a (HFC 143a) Trikloretan CF3CH3 www
R 152a (HCF 152a) Dikloretan C2H4F2 www
R 290 (HC 290) Propan C3H8 www
R 600 (HC 600) Bütan CH3CH2CH2CH3 www
R 600a (HC 600a) İzobütan CH(CH3)3 www
R 717 Amonyak NH3 www
R 718 Su H2O www
R 744 Karbondioksit CO2 www
R 764 Sülfürdioksit SO2 www

EK 12 Karışım Şeklindeki Soğutucu Akışkanlar

Soğutucu Akışkan Bileşimi (Ağırlıkça) Notlar
R 401A %52 R22 + %33 R124 + %15 R152a ww
R 402A %38 R22 + %60 R125 + %2 R290 ww
R 404A %44 R125 + %4 R134a + %52 R143a www
R 407A %20 R32 + %40 R125 + %40 R134a www
R 407A %10 R32 + %70 R125 + %20 R134a www
R 407C %23 R32 + %25 R125 + %52 R134a www
R 410A %50 R32 + %50 R125 www
R 500 %73,8 R12 + %26,2 R152a w
R 502 %51,2 R115 + %48,8 R22 w
R 507 %50 R125 + %50 R143a www
Montreal Protokolü kapsamında üretimi ve kullanımı yasaklanan veya kısıtlamaya tabi tutulan soğutucu akışkanlardır
ww Montreal Protokolü kapsamında henüz üretimi ve kullanımı yasaklanmayan, kısıtlamaya tabi tutulan akışkanlar, geçiş dönemi alternatif soğutucu akışkanlardır
www Montreal Protokolü kapsamında kullanımı yasaklanan veya kısıtlamaya tabi tutulan soğutucu akışkanlara alternatif akışkanlardır

EK 13 Soğutucu Olarak Kullanılan Akışkanların Fiziksel Özellikleri

Soğutucu Madde Mol
Ağırlığı
kg/Kmol Normal
Kaynama
Sıcaklığı
˚C Kritik
Sıcaklık
˚C Kritik
Basınç
bar TLV
ppm LFL
% Delta
Hcomb
MJ/kg
ODP GWP